CN108073087B - 一种多学科综合仿真平台环境下的机电伺服系统控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于飞行器控制与导航技术领域，具体涉及一种多学科综合仿真平台环境下的机电伺服系统控制算法，包括：步骤一：建立电机仿真模型及电机瞬态仿真计算；步骤二：建立机电伺服系统仿真模型；步骤三：计算机电伺服系统频率特性：步骤四：对比验证。本发明提出的基于机电伺服系统的仿真技术可扩展至所有机电伺服系统中，不需要任何实物和仪器，便能完成伺服系统各单机在设计之前进行不同条件下的可行性方案验证。对方案论证，控制策略、控制参数的确定具有重要的工程指导意义。

Description

一种多学科综合仿真平台环境下的机电伺服系统控制方法
技术领域
本发明属于飞行器控制与导航技术领域，具体涉及一种多学科综合仿真平台环境下的机电伺服系统控制方法。
背景技术
针对伺服系统的响应带宽高、动态要求高、研制周期短、算法调试困难等情况，采多学科综合仿真技术，准确模拟真实机电伺服系统和负载，对机电伺服系统控制策略规划，控制参数确定，系统方案设计具有重要指导意义。
发明内容
本发明的目的在于提出一种多学科综合仿真平台环境下的机电伺服系统控制方法，采用多学科综合仿真技术，建立精确的机电伺服系统模型，在模型的基础上嵌入控制算法并在模型上对算法进行设计、验证和优化，能够规避方案反复的风险、提高研制效率、缩短研制周期，节约研制成本。
本发明的技术方案是：
一种多学科综合仿真平台环境下的机电伺服系统控制方法，包括：
步骤一：建立电机仿真模型及电机瞬态仿真计算；
步骤二：建立机电伺服系统仿真模型；
步骤三：计算机电伺服系统频率特性：
步骤四：对比验证。
所述步骤一：建立电机仿真模型及瞬态仿真计算，包括：
步骤1.1：对电机的交、直轴电感，电机主磁通、电机转动惯量等参数进行矩阵变换计算得到电机仿真模型；
步骤1.2：电机瞬态仿真计算：电机采用八极九槽结构，利用瞬态场磁场求解器对电机进行瞬态仿真；得到电机的电感参数和主磁通参数；
对通过仿真计算得出电机的相电感进行如下矩阵计算，得出电机交、直轴电感；
Ldq＝CT*Luvw*C，其中
Figure GDA0002518217010000021
最终计算出电机的直轴电感Ld为0.54mH，交轴电感Lq为0.54mH。电机主磁通为0.032Wb；电机转惯量为3.32e-4kg·m2。
所述步骤二：建立机电伺服系统的仿真模型，包括：以永磁同步伺服电机的电压平衡微分方程和运动学微分方程为基础建立机电伺服系统的仿真模型；微分方程描述如下：
Figure DEST_PATH_GDA0001526442690000022
以此微分方程为基础，利用MATLAB建立机电伺服系统矢量控制仿真模型。
所述步骤三：计算机电伺服系统频率特性，包括：
基于虚拟测试的MatLab求解方法，利用SimuLink时域求解功能和*.m文件编程功能，模拟伺服系统总成测试仪，按总体要求生成特定频率点、特定幅值的扫频指令，并将该指令输入至机电伺服系统模型中，对机电伺服系统模型进行扫频循环求解后，再对响应进行数字傅里叶变换求出频率特性，最终得到机电伺服系统的频率特性，求解方法如同进行了一次频率特性测试。
所述步骤四：对比验证，包括：将机电伺服系统在喷管负载下实测控制性能与仿真结果进行对比。
本发明的有益效果是：
本发明提出的基于机电伺服系统的仿真技术可扩展至所有机电伺服系统中，不需要任何实物和仪器，便能完成伺服系统各单机在设计之前进行不同条件下的可行性方案验证。对方案论证，控制策略、控制参数的确定具有重要的工程指导意义。
附图说明
图1为本发明所述的一种多学科综合仿真平台环境下的机电伺服系统控制方法流程图；
图2为本发明所述的一种多学科综合仿真平台环境下的机电伺服系统控制方法中的机电伺服系统的总控制流程图；
具体实施方式
下面对本发明技术进行进一步描述：
如图1所示，一种多学科综合仿真平台环境下的机电伺服系统控制方法：
一种多学科综合仿真平台环境下的机电伺服系统控制方法，其特征在于，包括：
步骤一：建立电机仿真模型及电机瞬态仿真计算；
步骤二：建立机电伺服系统仿真模型；
步骤三：计算机电伺服系统频率特性：
步骤四：对比验证。
所述步骤一：建立电机仿真模型及瞬态仿真计算，包括：
步骤1.1：对电机的交、直轴电感，电机主磁通、电机转动惯量等参数进行矩阵变换计算得到电机仿真模型；
步骤1.2：电机瞬态仿真计算：电机采用八极九槽结构，利用瞬态场磁场求解器对电机进行瞬态仿真；得到电机的电感参数和主磁通参数；
对通过仿真计算得出电机的相电感进行如下矩阵计算，得出电机交、直轴电感；
Ldq＝CT*Luvw*C，其中
Figure GDA0002518217010000041
最终计算出电机的直轴电感Ld为0.54mH，交轴电感Lq为0.54mH。电机主磁通为0.032Wb；电机转惯量为3.32e-4kg·m2。
机电伺服系统对比传统的液压伺服系统，表现为控制手段更多，控制环节相对复杂。如图2所示，机电伺服系统使用三闭环控制策略。最内环为伺服电机电流环闭环控制，即电机输出力矩闭环控制；中间环为速度环闭环控制，完成伺服电机的转速闭环；最外环为位置环闭环，最终实现机电作动器的输出位移闭环。
如上所述，三闭环控制的两个内环都是对永磁同步伺服电机的转矩、转速闭环控制。
所述步骤二：建立机电伺服系统的仿真模型，包括：以永磁同步伺服电机的电压平衡微分方程和运动学微分方程为基础建立机电伺服系统的仿真模型；微分方程描述如下：
Figure 730480DEST_PATH_GDA0001526442690000022
以此微分方程为基础，利用MATLAB建立机电伺服系统矢量控制仿真模型。
所述步骤三：计算机电伺服系统频率特性，包括：
基于虚拟测试的MatLab求解方法，利用SimuLink时域求解功能和*.m文件编程功能，模拟伺服系统总成测试仪，按总体要求生成特定频率点、特定幅值的扫频指令，并将该指令输入至机电伺服系统模型中，对机电伺服系统模型进行扫频循环求解后，再对响应进行数字傅里叶变换求出频率特性，最终得到机电伺服系统的频率特性，求解方法如同进行了一次频率特性测试。
频率特性是伺服系统最关心的性能指标，对姿态控制系统稳定性起决定性作用。
所述步骤四：对比验证，包括：将机电伺服系统在喷管负载下实测控制性能与仿真结果进行对比。机电伺服系统在喷管负载下实测的控制性能与仿真结果对比见下表1所示。
表1机电伺服系统试验实测与仿真数据
Figure GDA0002518217010000052
Figure GDA0002518217010000061
通过对比，可以发现仿真数据略好于实测数据，其中单向最大摆角数据和角位移最大速度数据偏差最大，主要偏差原因为仿真模型中未能准确考虑机械传递中的间隙、死区等非线性特性和静摩擦力因素；同时，实测频率特性数据在w＝200rad/s附近出现幅频特性上扬，而仿真数据中未出现此现象，经分析认为，主要偏差原因为机电作动器及喷管负载建立仿真模型时，为便于建模，忽略了高阶特性影响，因此模型在高频段的部分特性未全部展现。
本发明基于MATLAB，Simulink的机电伺服系统模型建模，包含测控系统模型、负载模型、作动器模型、控制驱动电路模型、控制算法模型；基于电机有限元仿真和场路结合的Simulink电机建模，通过电机有限元计算得出电机的电磁参数和电气参数，将参数代入至基于磁路方法设计的电机模型中，得到接近有限元仿真环境下Simulink电机模型。基于多学科综合仿真平台的搭建，将Simulink电机模型和测控系统模型、负载模型、作动器模型、控制驱动电路模型、控制算法模型建成机电伺服系统模型，对控制算法进行仿真，实现机电伺服系统控制参数的精确计算与设计；基于虚拟测试的机电伺服系统频率特性求解技术，基于虚拟测试的MatLab求解方法，利用SimuLink的强大时域求解功能和*.m文件编程功能，模拟伺服总成测试仪，按总体要求生成特定频率点、特定幅值的扫频指令，并将该指令输入至机电伺服系统模型中，对机电伺服系统模型进行扫频循环求解后，再对响应进行数字傅里叶变换求出频率特性，最终得到机电伺服系统的频率特性；求解方法如同进行了一次频率特性测试。

Claims (2)

1.一种多学科综合仿真平台环境下的机电伺服系统控制方法，其特征在于，包括：
步骤一：建立电机仿真模型及电机瞬态仿真计算；
步骤二：建立机电伺服系统仿真模型；
步骤三：计算机电伺服系统频率特性：
步骤四：对比验证；
所述步骤一：建立电机仿真模型及瞬态仿真计算，包括：
步骤1.1：对电机的交、直轴电感，电机主磁通、电机转动惯量等参数进行矩阵变换计算得到电机仿真模型；
步骤1.2：电机瞬态仿真计算：电机采用八极九槽结构，利用瞬态场磁场求解器对电机进行瞬态仿真；得到电机的电感参数和主磁通参数；
对通过仿真计算得出电机的相电感进行如下矩阵计算，得出电机交、直轴电感；
Ldq＝CT*Luvw*C，其中
Figure FDA0002518216000000011
最终计算出电机的直轴电感Ld为0.54mH，交轴电感Lq为0.54mH；电机主磁通为0.032Wb；电机转惯量为3.32e-4kg·m2；所述步骤二：建立机电伺服系统的仿真模型，包括：以永磁同步伺服电机的电压平衡微分方程和运动学微分方程为基础建立机电伺服系统的仿真模型；微分方程描述如下：
Figure DEST_PATH_FDA0001526442680000021
以此微分方程为基础，利用MATLAB建立机电伺服系统矢量控制仿真模型；
所述步骤三：计算机电伺服系统频率特性，包括：
基于虚拟测试的MatLab求解方法，利用SimuLink时域求解功能和*.m文件编程功能，模拟伺服系统总成测试仪，按总体要求生成特定频率点、特定幅值的扫频指令，并将该指令输入至机电伺服系统模型中，对机电伺服系统模型进行扫频循环求解后，再对响应进行数字傅里叶变换求出频率特性，最终得到机电伺服系统的频率特性。
2.根据权利要求1所述一种多学科综合仿真平台环境下的机电伺服系统控制方法，其特征在于：所述步骤四：对比验证，包括：将机电伺服系统在喷管负载下实测控制性能与仿真结果进行对比。
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